Bangų dualizmas ir spinduliuotės korpuskulinės savybės. Bangos-dalelių dvilypumas

Bangos-dalelių dvilypumas– bet kurios mikrodalelės savybė aptikti dalelės (kūnelio) ir bangos požymius. Bangos-dalelių dvilypumas ryškiausiai pasireiškia elementariosiose dalelėse. Elektronas, neutronas, fotonas tam tikromis sąlygomis erdvėje elgiasi kaip gerai lokalizuoti materialūs objektai (dalelės), judantys tam tikromis energijomis ir impulsais klasikinėmis trajektorijomis, o kitomis – kaip bangos, o tai pasireiškia jų gebėjimu trukdyti ir difrakciją. Taigi, elektromagnetinė banga, išsibarsčiusi ant laisvųjų elektronų, elgiasi kaip atskirų dalelių - fotonų, kurie yra elektromagnetinio lauko kvantai, srautas (Compton efektas), o fotono impulsas apskaičiuojamas pagal formulę p = h/λ, kur λ yra elektromagnetinės bangos ilgis, o h yra Planko konstanta. Ši formulė pati savaime yra dualizmo įrodymas. Jame kairėje yra atskiros dalelės (fotono) impulsas, o dešinėje - fotono bangos ilgis. Elektronų, kuriuos esame įpratę laikyti dalelėmis, dvilypumas pasireiškia tuo, kad atsispindėjus nuo vieno kristalo paviršiaus, stebimas difrakcijos modelis, kuris yra elektronų banginių savybių pasireiškimas. Kiekybinis ryšys tarp elektrono korpuskulinių ir banginių charakteristikų yra toks pat kaip ir fotono: р = h/λ (р – elektrono impulsas, o λ – jo de Broglie bangos ilgis). Bangos ir dalelių dvilypumas yra kvantinės fizikos pagrindas.

Banga (kailis) yra procesas, visada susijęs su materialia aplinka, kuri erdvėje užima tam tikrą tūrį.

64. De Broglie banguoja. Elektronų difrakcija Mikrodalelių banginės savybės.

Idėjų apie korpuskulines-bangines medžiagos savybes plėtojimas gautas hipotezėje apie mikrodalelių judėjimo banginį pobūdį. Louis de Broglie, remdamasis materijos ir šviesos dalelių simetrijos gamtoje idėjos, bet kuriai mikrodalelei priskyrė tam tikrą vidinį periodinį procesą (1924). Sujungęs formules E = hν ir E = mc 2, jis gavo ryšį, rodantį, kad bet kuri dalelė turi savo bangos ilgis : λ B = h/mv = h/p, kur p yra bangos dalelės impulsas. Pavyzdžiui, elektronui, kurio energija yra 10 eV, de Broglie bangos ilgis yra 0,388 nm. Vėliau buvo parodyta, kad mikrodalelės būsena kvantinėje mechanikoje gali būti apibūdinta tam tikru kompleksu bangos funkcija koordinates Ψ(q), ir šios funkcijos kvadratinį modulį |Ψ| 2 apibrėžia koordinačių reikšmių tikimybių skirstinį. Šią funkciją į kvantinę mechaniką Schrödingeris pirmą kartą įvedė 1926 m. Taigi de Broglie banga neneša energijos, o tik atspindi kažkokio tikimybinio periodinio proceso erdvėje „fazių pasiskirstymą“. Vadinasi, mikropasaulio objektų būklės aprašymas yra tikimybinis pobūdis, priešingai nei makropasaulio objektai, kuriuos apibūdina klasikinės mechanikos dėsniai.

Norėdamas įrodyti de Broglie idėją apie mikrodalelių banginį pobūdį, vokiečių fizikas Elsasser pasiūlė naudoti kristalus elektronų difrakcijai stebėti (1925). JAV K. Davissonas ir L. Germeris atrado difrakcijos reiškinį, kai elektronų pluoštas praeina per nikelio kristalo plokštelę (1927). Nepriklausomai nuo jų, elektronų, einančių per metalinę foliją, difrakciją atrado J.P.Thomsonas Anglijoje ir P.S. Tartakovskis SSRS. Taigi, de Broglie idėja apie materijos bangines savybes rado eksperimentinį patvirtinimą. Vėliau atominiuose ir molekuliniuose pluoštuose buvo aptiktos difrakcijos, taigi ir bangos, savybės. Dalelių bangų savybių turi ne tik fotonai ir elektronai, bet ir visos mikrodalelės.

Mikrodalelių banginių savybių atradimas parodė, kad tokios materijos formos kaip laukas (nuolatinė) ir medžiaga (diskreti), kurios klasikinės fizikos požiūriu buvo laikomos kokybiškai skirtingomis, tam tikromis sąlygomis gali pasižymėti savybėmis, būdingomis abiem formoms. Tai byloja apie šių materijos formų vienybę. Išsamus jų savybių aprašymas įmanomas tik remiantis priešingomis, bet viena kitą papildančiomis idėjomis.

Įvadas

Beveik vienu metu buvo iškeltos dvi šviesos teorijos: Niutono korpuskulinė teorija ir Huygenso bangų teorija.

Pagal korpuskulinę teoriją arba nutekėjimo teoriją, kurią XVII amžiaus pabaigoje iškėlė Niutonas, šviečiantys kūnai skleidžia mažas daleles (kūnelius), kurios skrenda tiesiai į visas puses ir, patekusios į akį, sukelia šviesos pojūtį. .

Pagal bangų teoriją šviečiantis kūnas specialioje, visą kosminę erdvę užpildančioje terpėje – pasaulio eteryje – sukelia tamprius virpesius, kurie eteryje sklinda kaip garso bangos ore.

Niutono ir Huygenso laikais dauguma mokslininkų laikėsi Niutono korpuskulinės teorijos, kuri gana patenkinamai paaiškino visus tuo metu žinomus šviesos reiškinius. Šviesos atspindys buvo paaiškintas panašiai kaip elastingų kūnų atspindys susidūrus su plokštuma. Šviesos lūžimas buvo paaiškintas didelių traukos jėgų veikimu į korpusus iš tankesnės terpės. Veikiant šioms jėgoms, kurios, remiantis Niutono teorija, pasireiškia, artėjant prie tankesnės terpės, šviesos korpusai gavo pagreitį, nukreiptą statmenai šios terpės ribai, dėl ko jie pakeitė judėjimo kryptį ir ties tuo pačiu padidino greitį. Kiti šviesos reiškiniai buvo paaiškinti panašiai.

Vėliau pasirodę nauji pastebėjimai netilpo į šios teorijos rėmus. Visų pirma, šios teorijos nenuoseklumas buvo aptiktas matuojant šviesos sklidimo vandenyje greitį. Paaiškėjo, kad ne daugiau, o mažiau nei ore.

XIX amžiaus pradžioje Huygenso bangų teoriją, nepripažintą jo amžininkų, išplėtojo ir patobulino Youngas bei Fresnelis ir ji sulaukė visuotinio pripažinimo. Praėjusio amžiaus 60-aisiais, Maxwellui sukūrus elektromagnetinio lauko teoriją, paaiškėjo, kad šviesa yra elektromagnetinės bangos. Taigi bangų mechaninė šviesos teorija buvo pakeista bangų elektromagnetine teorija. Šviesos bangos (matomas spektras) elektromagnetinių bangų skalėje užima 0,4–0,7 µm diapazoną. Maksvelo šviesos bangų teorija, kuri spinduliavimą traktuoja kaip nenutrūkstamą procesą, nesugebėjo paaiškinti kai kurių naujai atrastų optinių reiškinių. Ją papildė kvantinė šviesos teorija, pagal kurią šviesos bangos energija skleidžiama, paskirstoma ir sugeriama ne nuolat, o tam tikromis porcijomis – šviesos kvantais, arba fotonais – kurios priklauso tik nuo šviesos bangos ilgio. Taigi, remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, šviesa turi ir banginių, ir korpuskulinių savybių.

Šviesos trukdžiai

Bangos, kurios kiekviename erdvės taške sukuria svyravimus, kurių fazių skirtumas laikui bėgant nekinta, vadinamos koherentinėmis. Fazių skirtumas šiuo atveju turi pastovią, bet, paprastai kalbant, skirtingą reikšmę skirtingiems erdvės taškams. Akivaizdu, kad koherentinės gali būti tik to paties dažnio bangos.

Kai erdvėje sklinda kelios koherentinės bangos, šių bangų generuojami svyravimai vienuose taškuose vienas kitą stiprina, o kituose silpnina. Šis reiškinys vadinamas bangų trukdžiais. Bet kokio fizinio pobūdžio bangos gali trukdyti. Pažiūrėsime į šviesos bangų trukdžius.

Koherentinių bangų šaltiniai dar vadinami koherentiniais. Kai tam tikras paviršius apšviečiamas keliais koherentiniais šviesos šaltiniais, ant šio paviršiaus paprastai atsiranda kintamos šviesios ir tamsios juostelės.

Du nepriklausomi šviesos šaltiniai, pavyzdžiui, dvi elektros lempos, nėra nuoseklūs. Jų skleidžiamos šviesos bangos yra daugybės atskirų atomų skleidžiamų bangų pridėjimo rezultatas. Atomų bangų emisija vyksta atsitiktinai, todėl tarp dviejų šaltinių skleidžiamų bangų fazių nėra pastovių ryšių.

Kai paviršius apšviečiamas nenuosekliais šaltiniais, kintamų šviesių ir tamsių juostų raštas, būdingas trukdžiams, neatsiranda. Apšvietimas kiekviename taške yra lygus apšvietimo, kurį sukuria kiekvienas iš šaltinių atskirai, sumai.

Koherentinės bangos susidaro padalijant šviesos spindulį iš vieno šaltinio į du ar daugiau atskirų pluoštų.

Šviesos trukdžiai gali būti stebimi apšviečiant kintamo storio skaidrią plokštę, ypač pleišto formos plokštę, monochromatiniais (vienos spalvos) spinduliais. Stebėtojo akis gaus bangas, atsispindinčias tiek nuo priekinio, tiek nuo galinio plokštės paviršiaus. Trikdžių rezultatą lemia fazių skirtumas tarp dviejų bangų, kuris palaipsniui kinta priklausomai nuo plokštės storio. Atitinkamai kinta apšvietimas: jei trukdančių bangų kelio skirtumas tam tikrame plokštės paviršiaus taške yra lygus pusbangių skaičiui, tai šiuo metu paviršius atrodys šviesus, jei fazių skirtumas yra nelyginis pusbangių skaičius, jis atrodys tamsus.

Kai plokštumai lygiagrečiai apšviečiamas lygiagretus spindulys, nuo jos priekinio ir galinio paviršių atsispindėjusių šviesos bangų fazių skirtumas yra vienodas visuose taškuose – plokštė atrodys tolygiai apšviesta.

Aplink šiek tiek išgaubto stiklo sąlyčio tašką su plokščiu, apšviečiant monochromatine šviesa, pastebimi tamsūs ir šviesūs žiedai – vadinamieji Niutono žiedai. Čia ploniausias oro sluoksnis tarp abiejų stiklų atlieka atspindinčios plėvelės vaidmenį, kurio storis išilgai koncentrinių apskritimų yra pastovus.

Šviesos difrakcija.

Šviesos banga, sklindanti vienalytėje terpėje, nekeičia fronto geometrinės formos. Tačiau jei šviesa sklinda nehomogeninėje terpėje, kurioje, pavyzdžiui, yra nepermatomų ekranų, erdvės sritys su gana staigiu lūžio rodiklio pasikeitimu ir pan., tada pastebimas bangos fronto iškraipymas. Šiuo atveju erdvėje įvyksta šviesos bangos intensyvumo perskirstymas. Apšviečiant, pavyzdžiui, nepermatomus ekranus su taškiniu šviesos šaltiniu ties šešėlio riba, kur pagal geometrinės optikos dėsnius turėtų įvykti staigus perėjimas iš šešėlio į šviesą, atsiranda daug tamsių ir šviesių juostelių. stebima dalis šviesos prasiskverbia į geometrinio šešėlio sritį. Šie reiškiniai yra susiję su šviesos difrakcija.

Taigi, šviesos difrakcija siaurąja prasme yra reiškinys, kai šviesa lenkiasi aplink nepermatomų kūnų kontūrą ir šviesa patenka į geometrinio šešėlio sritį; plačiąja prasme – bet koks šviesos sklidimo nukrypimas nuo geometrinės optikos dėsnių.

Sommerfeldo apibrėžimas: šviesos difrakcija suprantama kaip bet koks nukrypimas nuo tiesinio sklidimo, jei to negalima paaiškinti šviesos spindulių atspindžio, lūžio ar lenkimo terpėje, kurios lūžio rodiklis nuolat kinta.

Jei terpėje yra smulkių dalelių (rūko) arba lūžio rodiklis pastebimai keičiasi bangos ilgio eilės atstumais, tai tokiais atvejais kalbame apie šviesos sklaidą ir terminas „difrakcija“ nevartojamas.

Yra du šviesos difrakcijos tipai. Tirdami difrakcijos modelį stebėjimo taške, esančiame ribotu atstumu nuo kliūties, susiduriame su Frenelio difrakcija. Jei stebėjimo taškas ir šviesos šaltinis yra taip toli nuo kliūties, kad į kliūtį patenkantys ir į stebėjimo tašką einantys spinduliai gali būti laikomi lygiagrečiais spinduliais, tai mes kalbame apie difrakciją lygiagrečiuose spinduliuose – Fraunhoferio difrakciją.

Difrakcijos teorija svarsto bangų procesus tais atvejais, kai bangos sklidimo kelyje yra kokių nors kliūčių.

Naudojant difrakcijos teoriją, tokios problemos kaip apsauga nuo triukšmo naudojant akustinius ekranus, radijo bangų sklidimas Žemės paviršiumi, optinių prietaisų veikimas (nes lęšio gaunamas vaizdas visada yra difrakcijos raštas), paviršiaus kokybės matavimai, yra išspręstas medžiagos struktūros tyrimas ir daugelis kitų.

Šviesos poliarizacija

Interferencijos ir difrakcijos reiškiniai, kurie padėjo pagrįsti šviesos banginį pobūdį, dar nepateikia išsamaus šviesos bangų pobūdžio vaizdo. Naujų bruožų mums atskleidžia patirtis praleidžiant šviesą per kristalus, ypač per turmaliną.

Paimkime dvi vienodas stačiakampes turmalino plokštes, perpjautas taip, kad viena iš stačiakampio kraštinių sutaptų su tam tikra kryptimi kristalo viduje, vadinama optine ašimi. Padėkime vieną plokštę ant kitos, kad jų ašys sutaptų kryptimi, ir pro sulankstytą lėkščių porą leiskime siaurą šviesos spindulį iš žibinto ar saulės. Kadangi turmalinas yra rudai žalias kristalas, perduodamo spindulio pėdsakas ekrane pasirodys kaip tamsiai žalia dėmė. Pradėkime sukti vieną iš plokščių aplink siją, o antrą palikime nejudingą. Pamatysime, kad spindulio pėdsakas tampa silpnesnis, o plokštę pasukus 90 0, ji visiškai išnyks. Toliau sukant plokštę, artimoji šviesa vėl ims stiprėti ir pasieks ankstesnį intensyvumą, kai plokštė pasisuks 180 0, t.y. kai plokščių optinės ašys vėl lygiagrečios. Toliau sukant turmaliną, spindulys vėl susilpnėja.

Visus pastebėtus reiškinius galima paaiškinti, jei padaromos šios išvados.

1) Šviesos virpesiai pluošte nukreipti statmenai šviesos sklidimo linijai (šviesos bangos skersinės).

2) Turmalinas gali perduoti šviesos virpesius tik tada, kai jie yra tam tikru būdu nukreipti jo ašies atžvilgiu.

3) Žibinto (saulės) šviesoje pateikiami bet kurios krypties skersiniai virpesiai ir, be to, tomis pačiomis proporcijomis, kad nė viena kryptis nebūtų vyraujanti.

3 išvadoje paaiškinama, kodėl natūrali šviesa per turmaliną praeina vienodai bet kokia kryptimi, nors turmalinas, remiantis 2 išvada, gali perduoti šviesos virpesius tik tam tikra kryptimi. Natūralios šviesos pratekėjimas per turmaliną lemia, kad skersiniai virpesiai pasirenkami tik tie, kuriuos gali perduoti turmalinas. Todėl šviesa, einanti per turmaliną, bus skersinių virpesių rinkinys viena kryptimi, nulemtas turmalino ašies orientacijos. Tokią šviesą vadinsime tiesiškai poliarizuota, o plokštumą, kurioje yra svyravimo kryptis ir šviesos pluošto ašis, – poliarizacijos plokštuma.

Dabar aiškėja eksperimentas su šviesos pratekėjimu per dvi paeiliui dedamas turmalino plokšteles. Pirmoji plokštė poliarizuoja per ją einantį šviesos spindulį, todėl jis svyruoja tik viena kryptimi. Šios vibracijos gali visiškai pereiti per antrąjį turmaliną tik tuo atveju, jei jų kryptis sutampa su antrojo turmalino perduodamų virpesių kryptimi, t.y. kai jo ašis lygiagreti pirmosios ašiai. Jei virpesių kryptis poliarizuotoje šviesoje yra statmena antrojo turmalino perduodamų virpesių krypčiai, tai šviesa bus visiškai uždelsta. Jei virpesių kryptis poliarizuotoje šviesoje sudaro aštrų kampą su turmalino skleidžiama kryptimi, tada vibracijos bus perduodamos tik iš dalies.

Šviesos dispersija

Niutonas kreipėsi į spalvų, stebimų šviesos lūžyje, tyrimą, susijusį su bandymais tobulinti teleskopus. Stengdamasis gauti kuo geresnės kokybės objektyvus, Newtonas įsitikino, kad pagrindinis vaizdų trūkumas yra spalvotų kraštų buvimas. Didžiausius optinius atradimus Niutonas padarė tyrinėdamas spalvą refrakcijos metu.

Niutono atradimų esmę iliustruoja šie eksperimentai (1 pav.) žibinto šviesa apšviečia siaurą skylę S (plyšį). Naudojant objektyvą L, ekrane MN gaunamas plyšio vaizdas trumpo balto stačiakampio S' pavidalu. Padėję prizmę P ant tako, kurios kraštas yra lygiagretus plyšiui, matome, kad plyšio vaizdas pasislinks ir virs spalvota juostele, kurios spalvų perėjimai iš raudonos į violetinę yra panašūs į tuos, kurie buvo stebimi. vaivorykštėje. Niutonas šį vaivorykštės vaizdą pavadino spektru.

Jei tarpą uždengsite spalvotu stiklu, t.y. jei į prizmę nukreipsite ne baltą, o spalvotą šviesą, plyšio vaizdas bus sumažintas iki spalvoto stačiakampio, esančio atitinkamoje spektro vietoje, t.y. priklausomai nuo spalvos, šviesa skirtingais kampais nukryps nuo pradinio vaizdo S`. Aprašyti stebėjimai rodo, kad skirtingų spalvų spindulius prizmė lūžta skirtingai.

Niutonas patvirtino šią svarbią išvadą atlikdamas daugybę eksperimentų. Svarbiausias iš jų buvo nustatyti iš spektro išskirtų skirtingų spalvų spindulių lūžio rodiklį. Tam tikslui ekrane MN buvo išpjauta skylė, kurioje gaunamas spektras; Perkeliant ekraną pro skylę buvo galima išleisti siaurą vienos ar kitos spalvos spindulių spindulį. Šis vienodų spindulių izoliavimo būdas yra pažangesnis nei izoliavimas naudojant spalvotą stiklą. Eksperimentais nustatyta, kad toks atskirtas spindulys, lūžęs antroje prizmėje, juostos nebetempia. Toks spindulys atitinka tam tikrą lūžio rodiklį, kurio reikšmė priklauso nuo pasirinkto pluošto spalvos.

Aprašyti eksperimentai rodo, kad siauro spalvoto pluošto, išskirto iš spektro, lūžio rodiklis turi labai apibrėžtą reikšmę, o baltos šviesos lūžį galima apibūdinti tik viena šio rodiklio reikšme. Lygindamas panašius stebėjimus, Niutonas padarė išvadą, kad yra paprastų spalvų, kurios nesuyra, kai praeina per prizmę, ir sudėtingų spalvų, kurios yra paprastų, turinčių skirtingus lūžio rodiklius, rinkinį. Visų pirma, saulės šviesa yra spalvų derinys, kuris skaidomas prizmės pagalba, suteikiant spektrinį plyšio vaizdą.

Taigi pagrindiniuose Niutono eksperimentuose buvo du svarbūs atradimai:

1) Skirtingų spalvų šviesa apibūdinama skirtingais lūžio rodikliais tam tikroje medžiagoje (dispersija).

2) Balta spalva yra paprastų spalvų rinkinys.

Dabar žinome, kad skirtingos spalvos atitinka skirtingus šviesos bangos ilgius. Todėl pirmasis Niutono atradimas gali būti suformuluotas taip:

Medžiagos lūžio rodiklis priklauso nuo šviesos bangos ilgio.

Paprastai jis didėja mažėjant bangos ilgiui.

Plancko hipotezė

Siekdamas įveikti klasikinės teorijos sunkumus aiškindamas įkaitusio kietojo kūno spinduliavimą, vokiečių fizikas Maksas Plankas 1900 m. išreiškė hipotezę, kuri pažymėjo tikrosios teorinės fizikos evoliucijos pradžią. Šios hipotezės prasmė ta, kad svyruojančios sistemos energijos rezervas, esantis pusiausvyroje su elektromagnetine spinduliuote, negali įgyti jokios vertės. Elementariųjų sistemų, kurios sugeria ir skleidžia elektromagnetines bangas, energija būtinai turi būti lygi tam tikro energijos kiekio sveikajam kartotiniam.

Mažiausias energijos kiekis, kurį sistema gali sugerti arba išspinduliuoti, vadinamas energijos kvantu. Kvanto E energija turi būti proporcinga virpesių dažniui v:

E= hv .

Proporcingumo koeficientas hšioje išraiškoje vadinama Planko konstanta. Planko konstanta yra

6,6261937 . 10-34 J . Su

Planko konstanta kartais vadinama veiksmo kvantu. Atkreipkite dėmesį, kad matmuo h sutampa su kampinio momento matmeniu.

Remdamasis šia nauja idėja, Planckas gavo energijos pasiskirstymo spektre dėsnį, kuris gerai sutampa su eksperimentiniais duomenimis. Geras teoriškai prognozuojamo dėsnio sutapimas su eksperimentu buvo išsamus Plancko kvantinės hipotezės patvirtinimas.

Fotoelektrinio efekto atradimas

Plancko kvantų hipotezė buvo pagrindas paaiškinti fotoelektrinio efekto fenomeną, atrastą 1887 m. Vokiečių fizikas Heinrichas Hercas.

Fotoelektrinio efekto reiškinys aptinkamas apšviečiant cinko plokštę, sujungtą su elektrometro lazdele. Jei į plokštę ir strypą perkeliamas teigiamas krūvis, tada apšviečiant plokštę elektrometras neišsikrauna. Suteikdamas plokštelei neigiamą elektros krūvį, elektrometras išsikrauna, kai tik ultravioletinė spinduliuotė pasiekia plokštelę. Šis eksperimentas įrodo, kad veikiant šviesai nuo metalinės plokštės paviršiaus gali išsiskirti neigiami elektros krūviai. Išmatavus šviesos išmestų dalelių krūvį ir masę paaiškėjo, kad šios dalelės yra elektronai.

Yra keletas fotoefektų tipų: išoriniai ir vidiniai fotoefektai, vožtuvo fotoefektai ir daugybė kitų efektų.

Išorinis fotoelektrinis efektas – tai reiškinys, kai elektronai išstumiami iš medžiagos, veikiant ją krintančios šviesos poveikiui.

Vidinis fotoelektrinis efektas yra laisvųjų elektronų ir skylių atsiradimas puslaidininkyje, nutrūkus ryšiams tarp atomų dėl šviesos energijos, patenkančios į puslaidininkį.

Vartų fotoelektrinis efektas yra elektrovaros jėgos atsiradimas šviesai sistemoje, kurioje kontaktuoja du skirtingi puslaidininkiai arba puslaidininkis ir metalas.

Fotoelektrinio efekto dėsniai

Kiekybinius fotoelektrinio efekto dėsnius 1888–1889 m. nustatė žymus rusų fizikas Aleksandras Grigorjevičius Stoletovas (1839–1896). Naudodamas vakuuminį stiklinį balioną su dviem elektrodais (2 pav.), jis ištyrė baliono srovės priklausomybę nuo įtampos tarp elektrodų ir elektrodo apšvietimo sąlygų.

Vakuuminiame cilindre yra du metaliniai elektrodai A ir K, į kuriuos tiekiama įtampa. Elektrodų poliškumą ir jiems taikomą įtampą galima pakeisti naudojant įcentrinį potenciometrą R. Kai potenciometro slankiklis yra kairėje nuo vidurio taško, elektrodui A taikomas minusas, o elektrodui K – pliusas. Tarp elektrodų esanti įtampa matuojama voltmetru V. Elektrodas K apšvitinamas šviesa pro langą, uždengtą kvarciniu stiklu. Jo įtakoje iš šio elektrodo ištraukiami elektronai (vadinami fotoelektronais), kurie nuskrenda į elektrodą A ir sudaro fotosrovę, fiksuojamą miliampermetro mA.

Aprašytame įrengime kiekvienam apšviestam naudojant skirtingų metalų elektrodus

medžiagų, galima gauti išorinio fotoelektrinio efekto srovės-įtampos charakteristikas (t.y. fotosrovės stiprio I priklausomybę nuo įtampos U tarp elektrodų) esant skirtingoms krintančios šviesos energijos srauto vertėms.

Dvi tokios charakteristikos pateiktos (3 pav.).

Eksperimentiškai buvo nustatyti šie išorinio fotoelektrinio efekto modeliai ir dėsniai.

1. Jei tarp elektrodų nėra įtampos, fotosrovė nėra lygi nuliui. Tai reiškia, kad fotoelektronai išeidami turi kinetinę energiją.

2. Didėjant U, fotosrovė I palaipsniui didėja, nes anodą pasiekia vis daugiau fotoelektronų.

3. Tarp elektrodų pasiekus tam tikrą greitinamąją įtampą U n, visi iš katodo išmušti elektronai pasiekia anodą ir fotosrovės stiprumas nustoja priklausyti nuo įtampos. Tokia fotosrovė, kurios stipris didėjant įtampai nedidėja, vadinama soties fotosrove. Jei iš apšviesto metalo per laiko vienetą išspinduliuojamų fotoelektronų skaičius yra n e, tai soties fotosrovės stipris

aš n = D q / D t = Ne / D t = n e

Todėl išmatavus soties srovės stiprumą galima nustatyti per vieną sekundę išspinduliuotų fotoelektronų skaičių.

4. Soties fotosrovės stipris yra tiesiogiai proporcingas šviesos energijos srautui, patenkančiam į metalą (pirmasis fotoelektrinio efekto dėsnis):

aš n = g F

Čia g yra proporcingumo koeficientas, vadinamas medžiagos jautrumu šviesai. Vadinasi, elektronų, išmestų iš medžiagos per vieną sekundę, skaičius yra tiesiogiai proporcingas šviesos energijos srautui, patenkančiam į šią medžiagą.

5. Dėl pradinės kinetinės energijos elektronai gali veikti prieš lėtinančio elektrinio lauko jėgas. Todėl fotosrovė taip pat egzistuoja neigiamų įtampų srityje nuo 0 iki U 3 (elektrodas A prijungtas prie srovės šaltinio „minuso“). Pradedant nuo tam tikros vėlinimo įtampos U 3, fotosrovė sustoja. Šiuo atveju lėtinančio elektrinio lauko darbas A e = eU 3 yra lygus didžiausiai pradinei fotoelektronų kinetinei energijai W km. =mv m 2 / 2:

A e = W k.m. ; e U 3 = mv m 2 /2

V m = 2e U 3 / m

Taigi, išmatavus lėtinimo įtampą U 3, galima nustatyti didžiausią pradinę kinetinę energiją ir didžiausią pradinį fotoelektronų greitį.

6. Lėtinimo įtampos reikšmė, taigi ir didžiausia fotoelektronų kinetinė energija bei didžiausias greitis nepriklauso nuo krintančios šviesos intensyvumo, o priklauso nuo jos dažnio (antrasis fotoelektrinio efekto dėsnis).

7. Kiekvienai medžiagai yra nustatyta tam tikra dažnio reikšmė v k (ir, vadinasi, bangos ilgis l k), toks, kad esant dažniams v krentanti mažesnių šviesa v k (t.y. kai šviesos bangos ilgis didesnis nei l k), fotoelektrinis efektas nepastebimas (trečiasis fotoelektrinio efekto dėsnis). Dažnis v k (ir bangos ilgis l k) vadinamas raudonąja fotoelektrinio efekto riba. Pavyzdžiui, apšvitinus cinko plokštę matoma šviesa, net ir labai dideliu intensyvumu, fotoelektrinis efektas nepasireiškia, o apšvitinus ultravioletine šviesa, net ir labai mažu intensyvumu, stebimas fotoelektrinis efektas.

8. Nuo metalo apšvitinimo šviesa pradžios iki fotoelektronų emisijos pradžios praeina laikas t<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > v k, tada fotoelektronų emisija įvyksta beveik akimirksniu. Jeigu v < v Todėl nesvarbu, kiek laiko apšviestas metalas, fotoelektrinis efektas nepastebimas.

Fotonai

Reliatyvistinėje fizikoje (reliatyvumo teorijoje) parodyta, kad masė m ir energija W yra tarpusavyje susijusios:

W = mc 2

Todėl energijos kvantas Wф=h v elektromagnetinė spinduliuotė atitinka masę

m f = W f / c 2 = h v / c 2

Elektromagnetinė spinduliuotė, taigi ir fotonas, egzistuoja tik sklindant greičiu Su. Tai reiškia, kad likusi fotono masė lygi nuliui.

Fotonas, turintis masę m f ir judantis greičiu Su, turi pagreitį

p f = m f c = h v / c

Fotonas taip pat turi savo kampinį momentą, vadinamą suktis .

L f= h /2 p= h

Objektas, turintis energiją, masę, impulsą ar kampinį momentą, greičiausiai yra susijęs su dalele. Todėl elektromagnetinės spinduliuotės energijos kvantas – fotonas – yra tarsi elektromagnetinės spinduliuotės, ypač šviesos, dalelė.

Iš to, kad elektromagnetinė spinduliuotė yra fotonų rinkinys, išplaukia, kad dalelės elektromagnetinis laukas yra fotonų, kuriuos skleidžia ir sugeria pati dalelė, rinkinys.

Klasikinės fizikos rėmuose laisvosios dalelės sąveikos nešiklio išmetimas yra draudžiamas energijos ir impulso išsaugojimo dėsniais. Kvantinė fizika pašalina šį draudimą naudodama ryšį tarp energijos ir laiko neapibrėžtumo. Be to, tai sukuria ryšį tarp sąveikos nešiklio masės ir veiksmų diapazono.

Tokie procesai, kurie vyksta tarsi pažeidžiant energijos tvermės dėsnį, paprastai vadinami virtualiais procesais, o dalelės, kurios sąveikauja ir negali susieti energijos ir impulso taip pat, kaip su laisvosiomis dalelėmis, vadinamos virtualiosiomis dalelėmis. Sąveikoje dalyvaujančių virtualių mainų dalelių aptikti nepavyksta. Bet padidinus spinduliuojančios dalelės energiją, pavyzdžiui, greitinant elektronus, virtualius fotonus galima paversti tikrais, laisvais, kuriuos galima registruoti. Tai tikrų fotonų emisijos procesas.

Šis elektromagnetinio lauko vaizdavimas leidžia peržiūrėti elektra įkrautų dalelių sąveikos per elektromagnetinį lauką koncepciją. Jeigu iš dalelės yra kita įkrauta dalelė, tai vienos dalelės išspinduliuotą fotoną gali sugerti kita, ir atvirkščiai, dėl to vyksta fotonų mainai, t.y. dalelės pradės sąveikauti. Taigi dalelių elektromagnetinė sąveika vyksta keičiantis fotonams. Šis sąveikos mechanizmas vadinamas mainai ir taikoma visoms sąveikoms. Bet koks laukas yra kvantų – sąveikaujančios dalelės skleidžiamų sąveikų nešėjų visuma, o bet kokia sąveika yra sąveikos nešėjų mainai.

Baigdami pažymime, kad fotonas yra viena iš pagrindinių dalelių grupės dalelių.

Neįmanoma paaiškinti fotoelektrinio efekto dėsnių remiantis banginėmis šviesos sampratomis.

Išorinio fotoelektrinio efekto dėsnius buvo bandoma paaiškinti remiantis banginėmis šviesos sampratomis. Pagal šias idėjas fotoelektrinio efekto mechanizmas atrodo taip. Lengva banga krenta ant metalo. Jos paviršiniame sluoksnyje esantys elektronai sugeria šios bangos energiją, o jų energija palaipsniui didėja. Kai jis tampa didesnis už darbo funkciją, elektronai pradeda skraidyti iš metalo. Taigi šviesos bangų teorija tariamai gali kokybiškai paaiškinti fotoelektrinio efekto reiškinį.

Tačiau skaičiavimai parodė, kad pagal šį paaiškinimą laikas nuo metalo apšvietimo pradžios iki elektronų emisijos pradžios turėtų būti maždaug dešimt sekundžių. Tuo tarpu iš patirties seka, kad t<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Remiantis bangų teorija, fotoelektronų kinetinė energija turėtų didėti didėjant šviesos, patenkančios į metalą, intensyvumui. O bangos intensyvumą lemia įtampos svyravimų E amplitudė, o ne šviesos dažnis. (Nuo krintančios šviesos intensyvumo priklauso tik išmuštų elektronų skaičius ir soties srovės stiprumas.)

Iš bangų teorijos išplaukia, kad energiją, reikalingą elektronams išplėšti iš metalo, gali suteikti bet kokio bangos ilgio spinduliuotė, jei jos intensyvumas yra pakankamai didelis, t.y. kad fotoelektrinį efektą gali sukelti bet kokia šviesos spinduliuotė. Tačiau fotoelektriniam efektui yra raudona riba, t.y. Elektronų gaunama energija priklauso ne nuo bangos amplitudės, o nuo jos dažnio.

Taigi bandymai paaiškinti fotoelektrinio efekto dėsnius remiantis banginėmis šviesos sampratomis pasirodė nepagrįsti.

Fotoelektrinio efekto dėsnių paaiškinimas remiantis kvantinėmis šviesos sampratomis. Einšteino fotoelektrinio efekto lygtis.

Fotoelektrinio efekto dėsniams paaiškinti A. Einšteinas panaudojo kvantines šviesos sąvokas, kurias įvedė Planckas kūnų šiluminiam spinduliavimui apibūdinti.

Einšteinas, analizuodamas absoliučiai juodo kūno spinduliuotės energijos svyravimus, priėjo prie išvados, kad spinduliuotė elgiasi taip, tarsi ją sudarytų N=W/(hv) nepriklausomi energijos kvantai, kurių kiekvieno dydis yra hv. Pasak Einšteino, sklindant šviesai, kylančiai iš bet kurio taško, energija nepertraukiamai pasiskirsto vis didėjančioje erdvėje. Energija susideda iš riboto skaičiaus energijos kvantų, lokalizuotų erdvėje. Šie kvantai juda nesidalydami į dalis; jie gali būti absorbuojami ir išskiriami tik kaip visuma.

Taigi Einšteinas priėjo prie išvados, kad šviesa ne tik skleidžiama, bet ir sklinda erdvėje bei absorbuojama materijos kvantų pavidalu. Šviesos spinduliuotės dalys – šviesos kvantai – turinčios korpuskulinių savybių, t.y. dalelių, kurios yra elektromagnetinio lauko savybių nešėjos, savybės. Šios dalelės vadinamos fotonais.

Kvantinės šviesos sampratos požiūriu monochromatinės spinduliuotės, patenkančios į metalą, energiją sudaro fotonai, turintys energiją

W f = h v

W Šv. = NW f = Nh v

o šviesos energijos srautas lygus

Ф= W Šv. / t = Nh v / t = n f h v

čia N yra fotonų, kritusių ant metalo per laiką t, skaičius; n f – fotonų, patenkančių į metalą per laiko vienetą, skaičius.

Spinduliuotės sąveika su medžiaga susideda iš daugybės elementarių veiksmų, kurių kiekviename vienas elektronas visiškai sugeria vieno fotono energiją. Jei fotono energija yra didesnė arba lygi darbo funkcijai, tada elektronai išskrenda iš metalo. Šiuo atveju dalis sugerto fotono energijos išleidžiama darbo funkcijai A in atlikti, o likusi dalis sudaro fotoelektrono kinetinę energiją. Štai kodėl

W f =A iš + W Į ; h v =A iš + mv 2 /2.

Ši išraiška vadinama Einšteino fotoelektrinio efekto lygtimi.

Tai rodo, kad fotoelektronų kinetinė energija priklauso nuo krintančios šviesos dažnio (antrasis fotoelektrinio efekto dėsnis).

Jei kvantų energija yra mažesnė už darbo funkciją, tai elektronai neišspinduliuojami esant jokiam šviesos intensyvumui. Tai paaiškina raudonosios fotoelektrinio efekto ribos egzistavimą (trečiasis fotoelektrinio efekto dėsnis).

Dabar parodykime, kaip pirmasis fotoelektrinio efekto dėsnis paaiškinamas remiantis kvantinėmis šviesos sąvokomis.

Dėl fotoelektrinio efekto išsiskiriančių elektronų skaičius n e turėtų būti proporcingas paviršiuje krintančių šviesos kvantų n f skaičiui;

n e ~ n f ; n e = kn f ,

kur k yra koeficientas, parodantis, kokia krintančių fotonų dalis išmuša elektronus iš metalo. (Atkreipkite dėmesį, kad tik nedidelė kvantų dalis perduoda savo energiją fotoelektronams. Likusių kvantų energija išleidžiama šviesą sugeriančiai medžiagai šildyti). Fotonų skaičius n f lemia krintančios šviesos energijos srautą.

Taigi kvantinė šviesos teorija visiškai paaiškina visus išorinio fotoelektrinio efekto dėsnius. Taigi neginčijamai eksperimentiškai patvirtinta, kad šviesa, be banginių savybių, turi ir korpuskulinių savybių.

Korpuskulinė-banginė šviesos prigimtis

Įprastų šviesos šaltinių šviesos trukdžių, difrakcijos ir poliarizacijos reiškiniai nenuginčijamai rodo šviesos bangines savybes. Tačiau net ir esant šiems reiškiniams tinkamomis sąlygomis šviesa pasižymi korpuskulinėmis savybėmis. Savo ruožtu kūnų šiluminės spinduliuotės, fotoelektrinio efekto ir kiti dėsniai neginčijamai rodo, kad šviesa elgiasi ne kaip ištisinė, ištęsta banga, o kaip energijos „grumstų“ (porcijų, kvantų) srautas, t.y. kaip dalelių srautas – fotonai. Tačiau šiuose reiškiniuose šviesa turi ir banginių savybių, jos šiems reiškiniams tiesiog nėra reikšmingos.

Kyla klausimas: ar šviesa yra nuolatinė šaltinio skleidžiama elektromagnetinė banga, ar šaltinio skleidžiama diskrečiųjų fotonų srovė? Poreikis šviesai priskirti, viena vertus, kvantines, korpuskulines, kita vertus – bangines savybes, gali sukurti mūsų žinių apie šviesos savybes netobulumo įspūdį. Poreikis naudoti skirtingas ir, atrodo, vienas kitą paneigiančias sąvokas aiškinant eksperimentinius faktus, atrodo dirbtinis. Norėčiau manyti, kad visą optinių reiškinių įvairovę galima paaiškinti vienu iš dviejų požiūrių į šviesos savybes.

Vienas reikšmingiausių mūsų amžiaus fizikos laimėjimų yra laipsniškas įsitikinimas, kad bandymai supriešinti bangines ir kvantines šviesos savybes yra klaidingi. Šviesos bangos elektromagnetiniam laukui būdingos tęstinumo savybės neatmeta šviesos kvantams – fotonams būdingų diskretiškumo savybių. Šviesa vienu metu turi nepertraukiamų elektromagnetinių bangų ir diskrečiųjų fotonų savybių. Tai atspindi šių priešingų savybių dialektinę vienybę. Elektromagnetinė spinduliuotė (šviesa) – fotonų srautas, kurio sklidimas ir pasiskirstymas erdvėje apibūdinamas elektromagnetinių bangų lygtimis. Taigi šviesa turi korpuskulinės bangos prigimtį.

Šviesos korpuskulinės bangos prigimtis atsispindi formulėje

p f = h v / c = h / l

jungianti fotono korpuskulinę charakteristiką – impulsą su šviesos banga – dažniu (arba bangos ilgiu).

Tačiau šviesos korpuskulinė banga nereiškia, kad šviesa yra ir dalelė, ir banga pagal įprastą klasikinį vaizdą.

Ryšys tarp korpuskulinių ir banginių šviesos savybių randamas paprastai aiškinamas naudojant statistinį (tikėtiną) požiūrį į fotonų pasiskirstymą ir sklidimą erdvėje.

1) Apsvarstykite šviesos difrakciją, pavyzdžiui, pagal apvalią skylę.

Jei pro skylę praleidžiamas vienas fotonas, ekrane nebus pakaitomis šviesių ir tamsių juostelių, kaip būtų galima tikėtis iš bangos pusės; fotonas atsitrenkia į vieną ar kitą ekrano tašką, o per jį nesiskirsto, kaip turėtų būti pagal bangų sąvokas. Tačiau tuo pat metu neįmanoma fotono laikyti dalele ir tiksliai apskaičiuoti, į kurį tašką jis patenka, o tai būtų galima padaryti, jei fotonas būtų klasikinė dalelė.

Jei per skylę vienas po kito praleidžiami N fotonai, skirtingi fotonai gali pataikyti į skirtingus ekrano taškus. Tačiau tose vietose, kur pagal bangų koncepcijas turėtų būti šviesios juostos, fotonai kris dažniau.

Jei pro skylę vienu metu praleidžiami visi N fotonų, tai kiekviename erdvės taške ir ekrane fotonų yra tiek, kiek buvo juos praleidžiant po vieną. Tačiau šiuo atveju atitinkamas fotonų skaičius pasiekia kiekvieną ekrano tašką vienu metu ir, jei N yra didelis, ekrane bus stebimas difrakcijos modelis, kurio tikimasi bangų koncepcijų požiūriu.

Pavyzdžiui, tamsiųjų trukdžių pakraščiuose kvadratinė virpesių amplitudė ir fotonų susidūrimo tikimybės tankis yra minimalūs, o šviesių kraštų kvadratinė amplitudė ir tikimybės tankis yra didžiausi.

Taigi, jei šviesoje yra labai daug fotonų, tai esant difrakcijai, ji gali būti laikoma ištisine banga, nors ir susideda iš atskirų, neryškių fotonų.

2) Išorinio fotoelektrinio efekto reiškinyje svarbu, kad kiekvienas fotonas susidurtų tik su vienu elektronu (kaip dalelė su dalele) ir būtų jo absorbuojamas, neskirstant į dalis, kaip visuma, o ne koks konkretus fotonas. pataiko į kurį konkretų laisvąjį elektroną (tai lemia bangos savybės) ir jį išmuša. Todėl, esant fotoelektriniam efektui, šviesa gali būti laikoma dalelių srautu.

Elektromagnetinės spinduliuotės korpuskulinės bangos pobūdis buvo nustatytas specialiai šviesai, nes įprasta saulės šviesa, su kuria susiduriame kasdieniame gyvenime, viena vertus, atspindi didelio skaičiaus fotonų srautą ir aiškiai pasižymi banginėmis savybėmis, kita vertus. , šviesos fotonai turi pakankamai energijos, kad galėtų atlikti tokius efektus kaip fotojonizacija, fotoliuminescencija, fotosintezė, fotoelektrinis efektas, kuriuose lemiamą vaidmenį atlieka korpuskulinės savybės. Fotonai, atitinkantys, pavyzdžiui, radijo bangas, turi mažą energiją, o atskiri fotonai neturi pastebimo poveikio, o užfiksuotose radijo bangose turi būti daug fotonų ir jos turi veikti labiau kaip bangos. g- spinduliai, atsirandantys dėl radioaktyvaus branduolių skilimo ir branduolinių reakcijų, turi didelę energiją, jų veikimas lengvai fiksuojamas, tačiau ypatingomis sąlygomis branduoliniuose reaktoriuose gaunamas didelis fotonų srautas. Todėl g-spinduliai dažnai pasireiškia kaip dalelės, o ne kaip bangos.

Taigi šviesa yra korpuskulinė ta prasme, kad jos energija, impulsas, masė ir sukimasis yra lokalizuoti fotonuose, o ne išsklaidyti erdvėje, bet ne ta prasme, kad fotonas gali būti tam tikroje tiksliai apibrėžtoje erdvės vietoje. Šviesa elgiasi kaip banga ta prasme, kad fotonų sklidimas ir pasiskirstymas erdvėje yra tikimybinis: tikimybę, kad fotonas yra tam tikrame taške, lemia amplitudės tame taške kvadratas. Tačiau tikimybinis (banginis) fotonų pasiskirstymo erdvėje pobūdis nereiškia, kad fotonas yra bet kuriame taške kiekvienu laiko momentu.

Taigi šviesa sujungia bangų tęstinumą ir dalelių diskretiškumą. Jei atsižvelgsime į tai, kad fotonai egzistuoja tik judėdami (greičiu c), padarysime išvadą, kad šviesa vienu metu turi ir banginių, ir korpuskulinių savybių. Tačiau kai kuriuose reiškiniuose tam tikromis sąlygomis pagrindinį vaidmenį atlieka arba bangos, arba korpuskulinės savybės, o šviesa gali būti laikoma banga arba dalelėmis (kūneliais).

Praktinis šviesos trukdžių pritaikymas

Holografijos taikymas neardomajame medžiagų bandyme.

Tipiška holografinės instaliacijos optinė schema parodyta (4 pav. Lazeris 1 skleidžia monochromatinį šviesos spindulį, kuris yra padalintas į dvi dalis, naudojant pluošto skirstytuvo plokštę 2, spindulys A ir objekto banga nukreipiami per sistemą). veidrodžių 3 ir 7 bei lęšių 4 ir 8 į objektą 5, atsispindi nuo jo ir atsitrenkia į fotoplokštę 6, kur trukdo atskaitos bangai B. Visi instaliacijos elementai sumontuoti ant vieno standaus paviršiaus, kad būtų išvengta net labai mažų judesių. hologramos fotografavimas. Holografinės interferometrijos metodas susideda iš dviejų hologramų nuoseklaus įrašymo iš vieno objekto į vieną fotografinę plokštelę, tačiau intervalu tarp įrašų objektas yra veikiamas tam tikros rūšies (mechaninės deformacijos, kaitinimo ir kt.). Dėl to objekto bangų, atsispindėjusių prieš ir po smūgio, optinio kelio ilgis pasirodo esantis skirtingas, atsiranda papildomas kelio skirtumas ir atitinkamai tam tikras abiejų bangų fazinis poslinkis.

Skaitant tokią hologramą, abi objekto bangos atkuriamos ir trukdo. Jeigu objekto deformacija nedidelė (lyginama su bangos ilgiu l), tai objekto vaizdas bus aiškus, bet padengtas interferenciniais krašteliais, kurių plotis ir forma leidžia kiekybiškai apibūdinti objekto deformaciją, kadangi kraštelių atsiradimas kiekviename paviršiaus taške yra proporcingas optinio kelio ilgio pokyčiui.

Holografinė interferometrija taip pat naudojama defektams aptikti, jei dėl jų (įtrūkimų, tuštumų, medžiagų savybių nehomogeniškumo ir kt.) atsiranda nenormali apkraunamo objekto paviršiaus deformacija. Deformacijos nustatomos pagal trukdžių modelio pokyčius, palyginti su modeliu, kuris atsiranda be defektinio mėginio.

Holografinių trukdžių neardomasis bandymas naudoja įvairius apkrovos metodus. Pavyzdžiui, esant mechaninei apkrovai, tiek medžiagos paviršiuje, tiek šalia jos aptinkami ir lokalizuojami kelių milimetrų ilgio mikroįtrūkimai. Tokie tyrimai atliekami visų pirma siekiant aptikti betono įtrūkimus ir stebėti jų augimą.

Tuščiavidurių konstrukcijų jungčių kokybei tirti taikoma holografinė interferometrija, vėliau – slėgio apkrova ir vakuuminė apkrova. Deformacijos defektinėse vietose ir dėl to trukdžių modeliai skiriasi nuo kitų konstrukcijos sričių deformacijų.

Dažnai naudojama šiluminė apkrova. Šis metodas pagrįstas paviršiaus deformacijų, atsirandančių pasikeitus paviršiaus temperatūrai, tyrimu. Defekto zonoje temperatūros laukas yra iškraipytas, o tai lemia vietinį deformacijos pokytį ir, atitinkamai, trukdžių modelio iškraipymą. Dėl didelio holografinės interferometrijos jautrumo užfiksuotos deformacijos atsiranda, kai objekto temperatūra pakinta vos keliais laipsniais, palyginti su aplinkos temperatūra.

Fotoelektrinio efekto taikymas

Paprasčiausias įrenginys, veikiantis naudojant fotoelektrinį efektą, yra vakuuminis fotoelementas. Vakuuminis fotoelementas susideda iš stiklinės lemputės su dviem elektros laidais. Vidinis kolbos paviršius iš dalies padengtas plonu metalo sluoksniu. Ši danga tarnauja kaip fotoelemento katodas. Anodas yra cilindro centre. Katodo ir anodo gnybtai yra prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio. Kai katodas yra apšviestas, nuo jo paviršiaus išsiskiria elektronai. Šis procesas vadinamas išoriniu fotoelektriniu efektu. Elektronai, veikiami elektrinio lauko, juda link anodo. Fotoelemento grandinėje atsiranda elektros srovė, kurios stiprumas yra proporcingas šviesos spinduliuotės galiai. Taigi fotoelementas šviesos spinduliuotės energiją paverčia elektros srovės energija.

Puslaidininkiniai fotoelementai taip pat naudojami šviesos spinduliuotės energijai paversti elektros srovės energija.

Puslaidininkinis elementas turi tokią struktūrą. Plokščiame silicio kristale arba kitame skylę laidančiame puslaidininkyje sukuriamas plonas elektroniškai laidžio puslaidininkio sluoksnis. Šių sluoksnių sąsajoje atsiranda p–n sandūra. Apšviečiant puslaidininkinį kristalą, dėl šviesos sugerties pasikeičia elektronų ir skylių energijos pasiskirstymas. Šis procesas vadinamas vidiniu fotoelektriniu efektu. Dėl vidinio fotoelektrinio efekto puslaidininkyje daugėja laisvųjų elektronų ir skylių, kurios atsiskiria ties p–n sandūros riba.

Sujungus priešingus puslaidininkinio fotoelemento sluoksnius laidininku, grandinėje atsiranda elektros srovė; Srovės stipris grandinėje yra proporcingas šviesos srauto, patenkančio į fotoelementą, galiai.

Fotoelemento įjungimas nuosekliai su elektromagnetinės relės apvija leidžia automatiškai įjungti arba išjungti pavaras, kai į fotoelementą patenka šviesa. Fotoelementai kine naudojami garsui, įrašytam filme kaip garso takelis, atkurti.

Puslaidininkiniai fotoelementai plačiai naudojami dirbtiniuose Žemės palydovuose, tarpplanetinėse automatinėse stotyse ir orbitinėse stotyse kaip jėgainėse, kurių pagalba saulės spinduliuotės energija paverčiama elektros energija. Šiuolaikinių puslaidininkinių fotovoltinių generatorių efektyvumas viršija 20 proc.

Puslaidininkiniai fotoelementai vis dažniau naudojami kasdieniame gyvenime. Jie naudojami kaip neatsinaujinantys srovės šaltiniai laikrodžiuose ir mikroskaičiuotuvuose.

3 įvadas

Trikdžiai 4

Difrakcija 5

Poliarizacija 6

8 nuokrypis

Plancko hipotezė 9

10 nuotraukos efekto atradimas

Fotoelektrinio efekto dėsniai 11

Fotonai 14

Neįmanoma paaiškinti fotoelektrinio efekto remiantis šviesos bangų sampratomis 15

Fotoelektrinio efekto dėsnių paaiškinimas remiantis kvantinėmis šviesos sampratomis. Einšteino fotoelektrinio efekto lygtis 16

Korpuskulinė – banginė šviesos prigimtis 18

Praktinis šviesos trukdžių taikymas 21

Fotoelektrinio efekto taikymas 23

Literatūra 25

Maskvos valstybinė vandens transporto akademija

Fizikos ir chemijos katedra

Santrauka apie šiuolaikinio gamtos mokslo sampratą (fizikoje)

tema:

„Bangos ir dalelės dualizmas, jo reikšmė teorijoje ir eksperimentinis patvirtinimas“

Užbaigta:

2 kurso studentas

MVT-4 grupės

Mokytojas:

Kobranovas.M.E

Maskva 2001 m

Bibliografija:

Gribovas L.A. Prokofjeva N.I., „Fizikos pagrindai“, red. Mokslas 1995 m

Zhibrovas A.E., Michailovas V.K., Galcevas V.V., „Kvantinės mechanikos ir atominės fizikos elementai“, MISI im. V. V. Kuibyševa, 1984 m

Shpolsky I.V., „Atominė fizika“, red. Mokslas, 1974 m

Gursky I.P., „Elementarioji fizika“, redagavo Saveljevas I.V., 1984 m.

„Pradinis fizikos vadovėlis“, red. Landsbergis G.S., 1986 m

Kabardinas O.F., „Fizika“, red. Išsilavinimas.

Saveljevas I.V., „Bendrosios fizikos kursas“, red. Mokslas, 1988 m

Turinys.

Įvadas.
Šviesos banginės savybės.

a) Sklaida.

b) Difrakcija.

c) Poliarizacija

Kvantinės šviesos savybės.

a) Fotoelektrinis efektas.

b) Komptono efektas.

5. Išvada.

6. Naudotos literatūros sąrašas.

Įvadas.

Jau senovėje buvo nubrėžti trys pagrindiniai šviesos prigimties klausimo sprendimo būdai. Šie trys požiūriai vėliau susiformavo dviejose konkuruojančiose teorijose – korpuskulinėje ir banginėje šviesos teorijose.

Didžioji dauguma senovės filosofų ir mokslininkų laikė šviesą tam tikrais spinduliais, jungiančiais šviečiantį kūną ir žmogaus akį. Tuo pačiu metu kai kurie iš jų tikėjo, kad spinduliai sklinda iš žmogaus akių, jie tarsi jaučia aptariamą objektą. Šis požiūris turėjo daug pasekėjų, tarp kurių buvo ir Euklidas. Suformuluoti pirmąjį geometrinės optikos dėsnį, tiesinio šviesos sklidimo dėsnį,Euklidas rašė: „Akių skleidžiami spinduliai sklinda tiesiu keliu“. Ptolemėjus ir daugelis kitų mokslininkų bei filosofų laikėsi tos pačios nuomonės.

Tačiau vėliau, jau viduramžiais, ši šviesos prigimties idėja praranda prasmę. Vis mažiau mokslininkų, kurie vadovaujasi šiomis nuomonėmis. Ir iki XVII amžiaus pradžios. šį požiūrį galima laikyti jau užmirštu. Kiti, atvirkščiai, tikėjo, kad spindulius skleidžia šviečiantis kūnas ir, pasiekę žmogaus akį, turi šviečiančio objekto atspaudą. Tokio požiūrio laikėsi atomistai Demokritas, Epikūras ir Lukrecijus.

Pastarasis požiūris į šviesos prigimtį vėliau, XVII amžiuje, susiformavo korpuskulinėje šviesos teorijoje, pagal kurią šviesa yra kai kurių dalelių srautas, skleidžiamas šviečiančio kūno.

Trečiąjį požiūrį į šviesos prigimtį išreiškė Aristotelis. Šviesą jis laikė veiksmu ar judėjimu, sklindančiu erdvėje (terpėje). Nedaug žmonių tuo metu pritarė Aristotelio nuomonei. Tačiau vėliau, XVII amžiuje, jo požiūris buvo išplėtotas ir padėjo pagrindą šviesos bangų teorijai.

Iki XVII amžiaus vidurio susikaupė faktų, išstūmusių mokslinę mintį už geometrinės optikos ribų. Vienas pirmųjų mokslininkų, pastūmėjusių mokslinę mintį šviesos banginės prigimties teorijos link, buvo čekų mokslininkas Marzi. Jo darbai žinomi ne tik optikos, bet ir mechanikos bei net medicinos srityse. 1648 m. jis atrado šviesos sklaidos reiškinį.

XVII amžiuje Ryšium su optikos raida, šviesos prigimties klausimas ėmė vis labiau domėtis. Šiuo atveju palaipsniui susidaro dvi priešingos šviesos teorijos: korpuskulinė ir banginė. Buvo palankesnė dirva korpuskulinės šviesos teorijos plėtrai. Iš tiesų geometrinei optikai idėja, kad šviesa yra ypatingų dalelių srautas, buvo gana natūrali. Tiesus šviesos sklidimas, taip pat atspindžio ir lūžio dėsniai buvo gerai paaiškinti šios teorijos požiūriu.

Bendra materijos struktūros idėja taip pat neprieštaravo korpuskulinei šviesos teorijai. Tuo metu pažiūros į materijos sandarą buvo grindžiamos atomizmu. Visi kūnai sudaryti iš atomų. Tarp atomų yra tuščia erdvė. Visų pirma tada buvo manoma, kad tarpplanetinė erdvė tuščia. Šviesa iš dangaus kūnų jame sklinda šviesos dalelių srautų pavidalu. Todėl visai natūralu, kad XVII a. buvo daug fizikų, kurie laikėsi korpuskulinės šviesos teorijos. Tuo pačiu metu pradėjo vystytis šviesos banginės prigimties idėja. Dekartas gali būti laikomas šviesos bangų teorijos įkūrėju.

Elektromagnetinės spinduliuotės korpuskulinių ir banginių savybių vienovė.

Šiame skyriuje aptariami reiškiniai – juodojo kūno spinduliuotė, fotoelektrinis efektas, Komptono efektas – liudija kvantines (korpuskulines) šviesos, kaip fotonų srauto, sampratas. Kita vertus, tokie reiškiniai kaip šviesos trukdžiai, difrakcija ir poliarizacija įtikinamai patvirtina banginį (elektromagnetinį) šviesos pobūdį. Galiausiai, šviesos slėgis ir lūžis paaiškinami tiek bangų, tiek kvantinėmis teorijomis. Taigi elektromagnetinė spinduliuotė atskleidžia nuostabią iš pažiūros vienas kitą paneigiančių savybių – nuolatinių (bangų) ir diskrečių (fotonai), kurios viena kitą papildo – vienybę.

Išsamesnis optinių reiškinių tyrimas leidžia daryti išvadą, kad šviesos bangos elektromagnetiniam laukui būdingos tęstinumo savybės neturėtų būti priešingos fotonui būdingoms diskretiškumo savybėms. Šviesa, turinti ir korpuskulinių, ir banginių savybių, atskleidžia tam tikrus jų pasireiškimo modelius. Taigi šviesos banginės savybės pasireiškia jos sklidimo, interferencijos, difrakcijos, poliarizacijos dėsniais, o korpuskulinės – šviesos sąveikos su medžiaga procesais. Kuo ilgesnis bangos ilgis, tuo mažesnė fotono energija ir impulsas bei sunkiau aptikti šviesos kvantines savybes (pavyzdžiui, su tuo susijęs fotoelektrinio efekto raudonosios ribos buvimas). Atvirkščiai, kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo didesnė fotono energija ir impulsas ir tuo sunkiau nustatyti bangų savybes (pavyzdžiui, rentgeno spinduliuotės banginės savybės (difrakcija) buvo atrastos tik panaudojus kristalus kaip difrakcinė gardelė).

Ryšys tarp šviesos dvigubų dalelių bangų savybių gali būti paaiškintas, jei naudosime, kaip tai daro kvantinė optika, statistinį požiūrį į šviesos žiūrėjimo dėsnius. Pavyzdžiui, šviesos difrakcija per plyšį susideda iš to, kad kai šviesa praeina pro plyšį, fotonai perskirstomi erdvėje. Kadangi tikimybė, kad fotonai atsitrenks į skirtingus ekrano taškus, nėra vienoda, atsiranda difrakcijos modelis. Ekrano apšvietimas yra proporcingas tikimybei, kad fotonai atsitrenks į ekrano ploto vienetą. Kita vertus, remiantis bangų teorija, apšvietimas yra proporcingas šviesos bangos amplitudės kvadratui tame pačiame ekrano taške. Vadinasi, Šviesos bangos amplitudės kvadratas tam tikrame erdvės taške yra tikimybės, kad fotonai atsitrenks į tam tikrą tašką, matas.

Šviesos banginės savybės.

1.1 Sklaida.

Niutono atradimų esmę iliustruoja šie eksperimentai (1 pav.) žibinto šviesa apšviečia siaurą skylę S (lizdas). Naudojant objektyvą L ekrane gaunamas plyšio vaizdas MN trumpo balto stačiakampio formos S `. Pastačius prizmę kelyje P , kurio kraštas yra lygiagretus plyšiui, pamatysime, kad plyšio vaizdas pasislinks ir virs spalvota juostele, kurios spalvų perėjimai iš raudonos į violetinę yra panašūs į tuos, kurie stebimi vaivorykštėje. Niutonas šį vaivorykštės vaizdą pavadino spektru.

Jei tarpą uždengsite spalvotu stiklu, t.y. jei į prizmę nukreipsite ne baltą, o spalvotą šviesą, plyšio vaizdas bus sumažintas iki spalvoto stačiakampio, esančio atitinkamoje spektro vietoje, t.y. priklausomai nuo spalvos, šviesa skirtingais kampais nukryps nuo pradinio vaizdo S `. Aprašyti stebėjimai rodo, kad skirtingų spalvų spindulius prizmė lūžta skirtingai.

Niutonas patvirtino šią svarbią išvadą atlikdamas daugybę eksperimentų. Svarbiausias iš jų buvo nustatyti iš spektro išskirtų skirtingų spalvų spindulių lūžio rodiklį. Tam tikslui ekrane MN , ant kurio gaunamas spektras, buvo išpjauta skylė; Perkeliant ekraną pro skylę buvo galima išleisti siaurą vienos ar kitos spalvos spindulių spindulį. Šis vienodų spindulių izoliavimo būdas yra pažangesnis nei izoliavimas naudojant spalvotą stiklą. Eksperimentais nustatyta, kad toks atskirtas spindulys, lūžęs antroje prizmėje, juostos nebetempia. Toks spindulys atitinka tam tikrą lūžio rodiklį, kurio reikšmė priklauso nuo pasirinkto pluošto spalvos.

Taigi pagrindiniuose Niutono eksperimentuose buvo du svarbūs atradimai:

1) Skirtingų spalvų šviesa apibūdinama skirtingais lūžio rodikliais tam tikroje medžiagoje (dispersija).

2) Balta spalva yra paprastų spalvų rinkinys.

Dabar žinome, kad skirtingos spalvos atitinka skirtingus šviesos bangos ilgius. Todėl pirmasis Niutono atradimas gali būti suformuluotas taip:

Medžiagos lūžio rodiklis priklauso nuo šviesos bangos ilgio.

Paprastai jis didėja mažėjant bangos ilgiui.

1.2 Difrakcija.

Šviesos banga, sklindanti vienalytėje terpėje, nekeičia fronto geometrinės formos. Tačiau jei šviesa sklinda nehomogeninėje terpėje, kurioje, pavyzdžiui, yra neskaidrūs ekranai, erdvės sritys, kuriose gana staigus lūžio rodiklio pokytis ir pan., tada pastebimas bangos fronto iškraipymas. Šiuo atveju erdvėje įvyksta šviesos bangos intensyvumo perskirstymas. Apšviečiant, pavyzdžiui, nepermatomus ekranus su taškiniu šviesos šaltiniu ties šešėlio riba, kur pagal geometrinės optikos dėsnius turėtų įvykti staigus perėjimas iš šešėlio į šviesą, atsiranda nemažai tamsių ir šviesių juostelių. stebima dalis šviesos prasiskverbia į geometrinio šešėlio sritį. Šie reiškiniai yra susiję su šviesos difrakcija.

Yra du šviesos difrakcijos tipai. Tirdami difrakcijos modelį stebėjimo taške, esančiame ribotu atstumu nuo kliūties, susiduriame su Frenelio difrakcija. Jei stebėjimo taškas ir šviesos šaltinis yra taip toli nuo kliūties, kad į kliūtį patenkantys ir į stebėjimo tašką einantys spinduliai gali būti laikomi lygiagrečiais spinduliais, tai kalbame apie difrakciją lygiagrečiuose spinduliuose – Fraunhoferio difrakciją.

Difrakcijos teorija svarsto bangų procesus tais atvejais, kai bangos sklidimo kelyje yra kokių nors kliūčių.

1.3 Poliarizacija

Visus pastebėtus reiškinius galima paaiškinti, jei padaromos šios išvados.

Šviesos virpesiai pluošte nukreipti statmenai šviesos sklidimo linijai (šviesos bangos skersinės).

Turmalinas gali perduoti šviesos virpesius tik tada, kai jie yra tam tikru būdu nukreipti jo ašies atžvilgiu.

Žibinto (saulės) šviesoje pateikiami bet kurios krypties skersiniai virpesiai ir, be to, tomis pačiomis proporcijomis, kad nė viena kryptis nebūtų vyraujanti.

Kvantinės šviesos savybės.

2.1 Fotoelektrinis efektas.

Plancko kvantų hipotezė buvo pagrindas paaiškinti fotoelektrinio efekto fenomeną, atrastą 1887 m. Vokiečių fizikas Heinrichas Hercas.

Yra keletas fotoefektų tipų: išoriniai ir vidiniai fotoefektai, vožtuvo fotoefektai ir daugybė kitų efektų.

Išorinis fotoelektrinis efektas – tai reiškinys, kai elektronai išstumiami iš medžiagos, veikiant ją krintančios šviesos poveikiui.

Vidinis fotoelektrinis efektas yra laisvųjų elektronų ir skylių atsiradimas puslaidininkyje, nutrūkus ryšiams tarp atomų dėl šviesos energijos, patenkančios į puslaidininkį.

Vartų fotoelektrinis efektas yra elektrovaros jėgos atsiradimas šviesai sistemoje, kurioje kontaktuoja du skirtingi puslaidininkiai arba puslaidininkis ir metalas.

2.2 Komptono efektas.

Šviesos korpuskulinės savybės labiausiai pasireiškia Komptono efektu. Amerikiečių fizikas A. Comptonas (1892-1962), 1923 m. tirdamas monochromatinės rentgeno spinduliuotės sklaidą medžiagomis, turinčiomis šviesos atomus (parafiną, borą), atrado, kad išsklaidytos spinduliuotės sudėtyje kartu su pradinio bangos ilgio spinduliuote. , taip pat buvo stebima ilgesnės bangos spinduliuotė.

Komptono efektas yra trumpųjų bangų elektromagnetinės spinduliuotės (rentgeno ir gama spinduliuotės) elastinga sklaida ant laisvųjų (arba silpnai surištų) medžiagos elektronų, kartu su bangos ilgio padidėjimu. Šis efektas netelpa į bangų teorijos rėmus, pagal kuriuos sklaidos metu bangos ilgis neturėtų keistis: veikiamas periodinio šviesos bangos lauko, elektronas svyruoja pagal lauko dažnį ir todėl skleidžia išsklaidytas bangas. to paties dažnio.

Komptono efekto paaiškinimas pateiktas remiantis kvantinėmis sampratomis apie šviesos prigimtį. Jei darysime prielaidą, kaip tai daro kvantinė teorija, kad spinduliuotė yra korpuskulinio pobūdžio.

Komptono efektas pastebimas ne tik ant elektronų, bet ir ant kitų įkrautų dalelių, tokių kaip protonai, tačiau dėl didelės protono masės jo atatranka „matoma“ tik tada, kai išsibarstę labai didelės energijos fotonai.

Tiek Komptono efektas, tiek fotoelektrinis efektas, pagrįstas kvantinėmis sąvokomis, atsiranda dėl fotonų sąveikos su elektronais. Pirmuoju atveju fotonas yra išsklaidytas, antruoju - absorbuojamas. Sklaida atsiranda, kai fotonas sąveikauja su laisvaisiais elektronais, o fotoelektrinis efektas atsiranda su surištais elektronais. Galima parodyti, kad fotonui susidūrus su laisvaisiais elektronais, fotono absorbcija negali įvykti, nes tai prieštarauja impulso ir energijos tvermės dėsniams. Todėl fotonams sąveikaujant su laisvaisiais elektronais galima stebėti tik jų sklaidą, t.y. Komptono efektas.

Išvada.

Naudotos literatūros sąrašas.

1) A.A. Detlafas B.M. Yavorsky "Fizikos kursas" red. „Aukštoji mokykla“ 2000 m

2) T.I. Trofimovas „Fizikos kursas“ red. „Aukštoji mokykla“ 2001 m

3) H. Kuhling „Fizikos vadovas“ red. „Ramybė“ 1982 m

4) Gursky I.P. „Elementarioji fizika“ leid. I.V. Saveljeva 1984 m

5) Tarasovas L.V., Tarasova A.N. „Pokalbiai apie šviesos lūžį“ / red. V.A.

Fabrikanta, red. „Mokslas“, 1982 m.

Šviesos korpuskulinių savybių atradimas fotoelektrinio efekto eksperimentuose, Komptono eksperimente ir daugelyje kitų eksperimentų negali panaikinti tvirtai nustatytų banginių savybių buvimo šviesoje faktų, aptiktų stebint trukdžių, difrakcijos reiškinius. , ir poliarizacija. Tai, kad šviesa turi ir bangų, ir dalelių savybių, vadinama bangos ir dalelės dvilypu.

Dėl kontrastingų bangų ir dalelių savybių klasikinėje fizikoje nepagrįsta teigti, kad šviesa yra ir banga, ir dalelių srautas. Šviesa nėra nei banga, nei dalelių srautas. Šviesos prigimtis yra sudėtingesnė ir negali būti apibūdinta be vidinių prieštaravimų naudojant klasikinės fizikos vaizdinius. Šviesos savybių bangos ir dalelės dualizmo prasmė ta, kad, priklausomai nuo eksperimentinių sąlygų, šviesos prigimtį galima apytiksliai apibūdinti naudojant bangų arba korpuskuliarines sąvokas.

Vienas iš būdų, kaip sumažinti sudėtingą šviesos pobūdį į paprastesnį, yra bandymas pavaizduoti fotoną erdvėje ir laike ribotų elektromagnetinių bangų traukinio pavidalu, atsirandančiu dėl daugybės harmoninių elektromagnetinių bangų. Jei ši fotono idėja būtų teisinga, tada, kai šviesos pluoštas praeitų per plokštę su permatoma veidrodine danga, pusė kiekvieno traukinio būtų perduodama, o pusė - atspindėta. Kiekvieno fotono padalijimas į dvi dalis gali būti aptiktas vienu metu veikiant prietaisams, patalpintiems perduodamų ir atspindimų šviesos pluoštų kelyje. Tačiau patirtis rodo, kad įrenginiai neveikia vienu metu. Arba pirmasis iš jų veikia, arba antrasis atskirai. Tai reiškia, kad kiekvienas fotonas nėra padalintas į dvi plokštele su permatoma danga, bet su vienoda tikimybe

atsispindi arba pereina per plokštę kaip vientisą visumą.

Klasikinės fizikos vaizdų ribotumas šviesos savybėms apibūdinti išreiškiamas ne tik tuo, kad vienų eksperimentų rezultatams aprašyti tinka bangų sąvokos, kitų – korpuskulinės, bet ir šių vaizdų panaudojimo sutartimis. kiekvienu atveju. Apibūdindami fotoelektrinį efektą ir Komptono sklaidą naudodami korpuskuliarines sąvokas, neturime pamiršti apie reikšmingus fotono savybių ir dalelių savybių skirtumus klasikinėje fizikoje. Fotono ramybės masė lygi nuliui, jo judėjimo greitis bet kurioje inercinėje atskaitos sistemoje yra vienodas ir nėra atskaitos sistemos, kurioje jo greitis būtų lygus nuliui. Laikydami šviesą kaip dalelių – fotonų srautą, fotono masei nustatyti turime naudoti grynai šviesos bangą – dažnį. Tiriant bangų reiškinius, tokius kaip šviesos trukdžiai ir difrakcija, būtina naudoti fotoelementą arba fotografinę plokštę, kad būtų užfiksuotas trukdžių arba difrakcijos modelis, ty naudoti kvantines šviesos savybes, kad būtų galima nustatyti jos bangų savybes.

1. Kokie fotoelektrinio efekto dėsningumai negali būti paaiškinti remiantis šviesos bangų teorija?

2. Paaiškinkite, kodėl fotoelektrinio efekto vėlavimas išplaukia iš bangų teorijos.

3. Ar elektronų, išsiskiriančių iš metalo, veikiant tokio paties dažnio fotonams, kinetinė energija yra vienoda?

4. Ar galima stebėti matomos šviesos fotonų Komptono sklaidos reiškinį?

5. Ar galima atlikti Bothe eksperimentą naudojant žibintuvėlio lemputę ir matomos šviesos fotonų skaitiklius kaip fotonų šaltinį?

Jei manėte, kad mes nugrimzdome į užmarštį su savo mintis sukrečiančiomis temomis, tada skubame jus nuvilti ir pradžiuginti: klydote! Tiesą sakant, visą šį laiką bandėme rasti priimtiną metodą beprotiškoms temoms, susijusioms su kvantiniais paradoksais, pateikti. Parašėme kelis juodraščius, bet visi buvo išmesti į šaltį. Nes kai reikia aiškinti kvantinius anekdotus, mes patys pasimetame ir pripažįstame, kad daug ko nesuprantame (ir apskritai mažai kas supranta šį reikalą, tarp jų ir šaunūs pasaulio mokslininkai). Deja, kvantinis pasaulis yra toks svetimas filistinei pasaulėžiūrai, kad visai ne gėda pripažinti savo nesusipratimą ir kartu šiek tiek pabandyti suprasti bent pagrindinius dalykus.

Ir nors, kaip įprasta, su Google vaizdais stengsimės kalbėti kuo aiškiau, nepatyrusiam skaitytojui prireiks pirminio pasiruošimo, todėl rekomenduojame peržvelgti mūsų ankstesnes temas, ypač apie kvantus ir materiją.
Ypač humanistams ir kitiems besidomintiems – kvantiniai paradoksai. 1 dalis.

Šioje temoje kalbėsime apie labiausiai paplitusią kvantinio pasaulio mįslę – bangų ir dalelių dvilypumą. Kai sakome „įprastiausias“, turime omenyje, kad fizikai taip nuo to pavargo, kad tai net neatrodo kaip paslaptis. Tačiau visa tai yra todėl, kad kitus kvantinius paradoksus paprastam protui priimti dar sunkiau.

Ir buvo taip. Senais gerais laikais, kažkur XVII amžiaus viduryje, Niutonas ir Huygensas nesutarė dėl šviesos egzistavimo: Niutonas begėdiškai pareiškė, kad šviesa yra dalelių srautas, o senasis Huygensas bandė įrodyti, kad šviesa yra banga. Tačiau Niutonas buvo autoritetingesnis, todėl jo teiginys apie šviesos prigimtį buvo priimtas kaip tikras, o Huygensas buvo juokiamas. Ir du šimtus metų šviesa buvo laikoma kažkokių nežinomų dalelių srautu, kurių prigimtį jie tikėjosi vieną dieną atrasti.

XIX amžiaus pradžioje orientalistas Thomas Youngas užsimanė optiniais instrumentais – dėl to jis ėmėsi ir atliko eksperimentą, kuris dabar vadinamas Youngo eksperimentu, ir kiekvienas fizikas šį eksperimentą laiko šventu.

Thomas Youngas tiesiog nukreipė šviesos spindulį (tos pačios spalvos, kad dažnis būtų maždaug toks pat) per du plokštės plyšius ir už jo uždėjo kitą ekrano plokštę. Ir parodė rezultatą savo kolegoms. Jei šviesa būtų dalelių srautas, tada fone matytume dvi šviesias juosteles.
Tačiau, deja, visam mokslo pasauliui, plokštelės ekrane atsirado tamsių ir šviesių juostų serija. Dažnas reiškinys, vadinamas interferencija, yra dviejų (ar daugiau) bangų superpozicija viena ant kitos.

Beje, būtent dėl trukdžių matome vaivorykštinius atspalvius ant aliejaus dėmės ar muilo burbulo.

Kitaip tariant, Thomas Youngas eksperimentiškai įrodė, kad šviesa yra bangos. Mokslo pasaulis ilgą laiką nenorėjo tikėti Jungu, o vienu metu jis buvo taip kritikuojamas, kad net atsisakė savo idėjų apie bangų teoriją. Tačiau pasitikėjimas jų teisumu vis tiek nugalėjo, ir mokslininkai šviesą pradėjo laikyti banga. Tiesa, banga ko – tai buvo paslaptis.
Čia, paveikslėlyje, yra senas geras Jungo eksperimentas.

Reikia pasakyti, kad šviesos banginė prigimtis neturėjo didelės įtakos klasikinei fizikai. Mokslininkai perrašė formules ir ėmė tikėti, kad netrukus visas pasaulis kris jiems po kojų pagal vieną universalią visko formulę.
Bet jūs jau spėjote, kad Einšteinas, kaip visada, viską sugadino. Bėda išlindo iš kitos pusės – iš pradžių mokslininkai sutriko skaičiuodami šiluminių bangų energiją ir atrado kvantų sąvoką (apie tai būtinai skaitykite mūsų atitinkamoje temoje „“). Ir tada, tų pačių kvantų pagalba, Einšteinas smogė fizikui, paaiškindamas fotoelektrinio efekto reiškinį.

Trumpai: fotoelektrinis efektas (viena iš pasekmių yra filmavimas) yra elektronų išmušimas iš tam tikrų medžiagų paviršiaus šviesa. Techniškai šis išmušimas įvyksta taip, tarsi šviesa būtų dalelė. Einšteinas šviesos dalelę pavadino šviesos kvantu, vėliau jai buvo suteiktas pavadinimas – fotonas.

1920 m. į šviesos antibanginę teoriją buvo įtrauktas nuostabus Komptono efektas: kai elektronas bombarduojamas fotonais, fotonas atsimuša nuo elektrono, prarasdamas energiją (mes „šaudom“ mėlyna spalva, o raudonas skrenda). išjungtas), kaip biliardo kamuolys nuo kito. Komptonas už tai gavo Nobelio premiją.

Šį kartą fizikai buvo atsargūs tiesiog atsisakyti banginės šviesos prigimties, bet verčiau galvojo. Mokslas susiduria su bauginančia paslaptimi: šviesa yra banga ar dalelė?

Šviesa, kaip ir bet kuri banga, turi dažnį - ir tai lengva patikrinti. Matome skirtingas spalvas, nes kiekviena spalva tiesiog yra skirtingas elektromagnetinės (šviesos) bangos dažnis: raudona – žemo dažnio, violetinė – aukšto dažnio.
Bet tai nuostabu: matomos šviesos bangos ilgis yra penkis tūkstančius kartų didesnis už atomo dydį - kaip toks „daiktas“ telpa į atomą, kai atomas sugeria šią bangą? Jei tik fotonas yra dalelė, kurios dydis panašus į atomą. Ar fotonas ir didelis, ir mažas tuo pačiu metu?

Be to, fotoelektrinis ir Komptono efektas aiškiai įrodo, kad šviesa vis dar yra dalelių srautas: negalima paaiškinti, kaip banga perduoda energiją erdvėje lokalizuotiems elektronams – jei šviesa būtų banga, vėliau kai kurie elektronai būtų išmušti. nei kiti, o reiškinys Fotoelektrinio efekto nepastebėtume. Tačiau srauto atveju vienas fotonas susiduria su vienu elektronu ir tam tikromis sąlygomis išmuša jį iš atomo.

Dėl to buvo nuspręsta: šviesa yra ir banga, ir dalelė. O tiksliau nei viena, nei kita, o nauja anksčiau nežinoma materijos egzistavimo forma: mūsų stebimi reiškiniai tėra tikrosios padėties projekcijos arba šešėliai, priklausomai nuo to, kaip pažvelgsi į tai, kas vyksta. Kai žiūrime į cilindro šešėlį, apšviečiamą iš vienos pusės, matome apskritimą, o apšviečiant iš kitos pusės – stačiakampį. Taip yra ir šviesos dalelių bangos atvaizdavimo atveju.

Bet ir čia viskas nėra lengva. Negalime sakyti, kad šviesą laikome nei banga, nei dalelių srautu. Pažiūrėk pro langą. Staiga net švariai išplautame stikle matome savo atspindį, nors ir neryškų. Koks laimikis? Jei šviesa yra banga, tai atspindį lange paaiškinti nesunku – panašius efektus matome vandenyje, kai banga atsispindi nuo kliūties. Bet jei šviesa yra dalelių srautas, atspindžio negalima taip lengvai paaiškinti. Juk visi fotonai yra vienodi. Tačiau jei jie visi yra vienodi, tada lango stiklo barjeras turėtų jiems turėti tokį patį poveikį. Arba jie visi praeina pro stiklą, arba visi atsispindi. Tačiau atšiaurioje realybėje dalis fotonų praskrenda pro stiklą, o mes matome kaimyninį namą ir iškart matome savo atspindį.

Ir vienintelis paaiškinimas, kuris ateina į galvą: fotonai yra savaime. Neįmanoma šimtaprocentine tikimybe nuspėti, kaip elgsis konkretus fotonas – ar jis susidurs su stiklu kaip dalelė, ar kaip banga. Tai yra kvantinės fizikos pagrindas – visiškai, absoliučiai atsitiktinis materijos elgesys mikrolygmenyje be jokios priežasties (o mūsų didelių kiekių pasaulyje iš patirties žinome, kad viskas turi priežastį). Tai puikus atsitiktinių skaičių generatorius, kitaip nei monetos metimas.

Puikus Einšteinas, atradęs fotoną, iki savo gyvenimo pabaigos buvo įsitikinęs, kad kvantinė fizika yra klaidinga, ir patikino visus, kad „Dievas nežaidžia kauliukais“. Tačiau šiuolaikinis mokslas vis labiau patvirtina, kad tai vaidina.

Vienaip ar kitaip, vieną dieną mokslininkai nusprendė nutraukti diskusiją „banga ar dalelė“ ir atkurti Jungo patirtį, atsižvelgdami į XX amžiaus technologijas. Iki to laiko jie išmoko šaudyti fotonus po vieną (kvantiniai generatoriai, tarp gyventojų žinomi kaip „lazeriai“), todėl buvo nuspręsta patikrinti, kas nutiktų ekrane, jei viena dalelė iššautų dviejuose plyšiuose: pagaliau paaiškės, kas yra materija kontroliuojamomis eksperimentinėmis sąlygomis.

Ir staiga - vienas šviesos kvantas (fotonas) parodė interferencijos modelį, tai yra, dalelė praskriejo per abu plyšius vienu metu, fotonas trukdė sau (moksliškai kalbant). Patikslinkime techninį dalyką – tiesą sakant, trukdžių vaizdą rodė ne vienas fotonas, o šūvių serija vienoje dalelėje 10 sekundžių intervalais – laikui bėgant pasirodė Youngo pakraščiai, pažįstami bet kuriam C mokiniui nuo 1801 m. ekranas.

Bangos požiūriu tai logiška – banga praeina pro plyšius, o dabar dvi naujos bangos išsiskiria koncentriniais apskritimais, persidendamos viena kitą.
Bet korpuskuliniu požiūriu paaiškėja, kad fotonas eidamas pro plyšius vienu metu yra dviejose vietose, o perėjęs susimaišo su savimi. Apskritai tai normalu, tiesa?
Paaiškėjo, kad tai normalu. Be to, kadangi fotonas yra vienu metu dviejuose plyšiuose, tai reiškia, kad jis vienu metu yra visur ir prieš plyšius, ir praskridus per juos. Ir apskritai, kvantinės fizikos požiūriu, išleidžiamas fotonas tarp pradžios ir finišo vienu metu yra „visur ir iš karto“. Fizikai tokį dalelės radimą vadina „visur iš karto“ superpozicija – baisus žodis, kuris anksčiau buvo matematinis lepinimas, dabar tapo fizine realybe.

Tam tikras E. Schrödingeris, žinomas kvantinės fizikos priešininkas, tuo metu kažkur buvo iškasęs formulę, kuri apibūdino materijos, pavyzdžiui, vandens, bangines savybes. Ir šiek tiek padirbėjęs, mano siaubui, išvedžiau vadinamąją bangų funkciją. Ši funkcija parodė tikimybę rasti fotoną tam tikroje vietoje. Atminkite, kad tai yra tikimybė, o ne tiksli vieta. Ir ši tikimybė priklausė nuo kvantinės bangos keteros aukščio kvadrato tam tikroje vietoje (jei ką nors domina detalės).

Dalelių vietos matavimo klausimams skirsime atskirą skyrių.

Tolesni atradimai parodė, kad su dualizmu susiję dalykai yra dar blogesni ir paslaptingesni.
1924 m. tam tikras Louisas de Broglie sakė, kad šviesos bangos korpuskulinės savybės yra ledkalnio viršūnė. Ir visos elementarios dalelės turi šią nesuvokiamą savybę.
Tai reiškia, kad dalelė ir banga tuo pačiu metu yra ne tik elektromagnetinio lauko dalelės (fotonai), bet ir tikros dalelės, tokios kaip elektronai, protonai ir kt. Visa mus supanti medžiaga mikroskopiniame lygmenyje yra bangos(ir dalelės tuo pačiu metu).

Ir po poros metų tai netgi buvo patvirtinta eksperimentiškai – amerikiečiai varė elektronus katodinių spindulių vamzdžiais (kuriuos šiandienos senieji fartininkai žino „kineskopo“ pavadinimu) – ir taip su elektronų atspindžiu susiję stebėjimai patvirtino, kad elektronas. taip pat yra banga (kad būtų lengviau suprasti, galite pasakyti, kad jie įdėjo plokštelę su dviem plyšiais elektrono kelyje ir pamatė elektrono trukdžius tokį, koks jis yra).

Iki šiol eksperimentai atskleidė, kad atomai taip pat turi bangų savybių, ir net kai kurios specialios molekulių rūšys (vadinamieji "fullerenai") pasireiškia kaip bangos.

Smalsus skaitytojo protas, kurio dar neapsvaigino mūsų pasakojimas, paklaus: jei materija yra banga, tai kodėl, pavyzdžiui, skrendantis rutulys nėra išteptas erdvėje bangos pavidalu? Kodėl reaktyvinis lėktuvas visai nepanašus į bangą, bet labai panašus į reaktyvinį lėktuvą?

De Broglie, velnias, čia viską paaiškino: taip, skrendantis kamuolys ar „Boeing“ taip pat yra banga, bet šios bangos ilgis yra trumpesnis, tuo didesnis impulsas. Impulsas yra masės greitis. Tai yra, kuo didesnė materijos masė, tuo trumpesnis jos bangos ilgis. 150 km/h greičiu skriejančio rutulio bangos ilgis bus maždaug 0,00 metro. Todėl mes negalime pastebėti, kaip kamuolys sklinda erdvėje kaip banga. Mums tai yra tvirta medžiaga.
Elektronas yra labai lengva dalelė ir, skrisdamas 6000 km/sek. greičiu, jo bangos ilgis bus pastebimas 0,0000000001 metro.

Beje, iš karto atsakykime į klausimą, kodėl atomo branduolys nėra toks „banginis“. Nors jis yra atomo centre, aplink kurį pašėlusiai skraido elektronas ir tuo pat metu yra išteptas, jis turi neblogą impulsą, susijusį su protonų ir neutronų mase, taip pat su aukšto dažnio virpesiais (greičiais). į nuolatinio dalelių mainų egzistavimą branduolio viduje stiprią sąveiką (skaitykite temą). Todėl šerdis panašesnė į mums pažįstamą kietą medžiagą. Elektronas, matyt, yra vienintelė masės dalelė, kuri turi aiškiai išreikštas bangų savybes, todėl visi jį tyrinėja su malonumu.

Grįžkime prie savo dalelių. Taip išeina: aplink atomą besisukantis elektronas yra ir dalelė, ir banga. Tai reiškia, kad dalelė sukasi, o elektronas kaip banga yra tam tikros formos apvalkalas aplink branduolį – kaip tai gali suprasti žmogaus smegenys?

Aukščiau jau paskaičiavome, kad skraidantis elektronas turi gana didžiulį (mikrokosmui) bangos ilgį ir kad tokiai bangai tilptų aplink atomo branduolį, reikia nepadoriai daug erdvės. Būtent tai paaiškina tokius didelius atomų dydžius, palyginti su branduoliu. Elektrono bangos ilgiai lemia atomo dydį. Tuščią erdvę tarp branduolio ir atomo paviršiaus užpildo elektrono bangos ilgio (o kartu ir dalelės) „apgyvendinimas“. Tai labai grubus ir neteisingas paaiškinimas – atleiskite – iš tikrųjų viskas daug sudėtingiau, bet mūsų tikslas – leisti žmonėms, kurie tuo besidomi, bent nugraužti mokslo granito gabalėlį.

Ir vėl aišku! Po kai kurių komentarų apie straipsnį [YP] supratome, kokio svarbaus dalyko šiame straipsnyje trūksta. Dėmesio! Mūsų aprašyta materijos forma nėra nei banga, nei dalelė. Jis tik (kartu) turi bangos savybes ir dalelių savybes. Negalima sakyti, kad elektromagnetinė banga ar elektronų banga yra kaip jūros bangos ar garso bangos. Mums pažįstamos bangos reiškia trikdžių plitimą erdvėje, užpildytoje tam tikra medžiaga.
Fotonai, elektronai ir kiti mikrokosmoso atvejai, judėdami erdvėje, gali būti apibūdinti bangų lygtimis, tačiau jų elgesys yra tik PANAŠUS į bangą. Panašiai yra su korpuskuline materijos struktūra: dalelės elgesys yra panašus į mažų taškinių rutuliukų skrydį, bet tai niekada nėra rutuliukai.
Tai reikia suprasti ir priimti, kitaip visos mūsų mintys galiausiai paskatins ieškoti analogų makrokosmose ir taip kvantinės fizikos supratimas baigsis, prasidės friarizmas ar šarlatano filosofija, tokia kaip kvantinė magija ir materialumas. minčių.

Likusias bauginančias Jungo modernizuoto eksperimento išvadas ir pasekmes apsvarstysime vėliau kitoje dalyje – Heizenbergo neapibrėžtumas, Schrödingerio katė, Pauli išskyrimo principas ir kvantinis susipainiojimas laukia kantraus ir mąstančio skaitytojo, kuris dar ne kartą skaitys mūsų straipsnius ir knaisiosis. per internetą ieškodami papildomos informacijos.

Ačiū visiems už dėmesį. Laimingos nemigos ar pažintinių košmarų visiems!

NB: uoliai primename, kad visi vaizdai yra paimti iš Google (paieška pagal paveikslėlius) – ten nustatoma autorystė.
Neteisėtas teksto kopijavimas yra patrauktas baudžiamojon atsakomybėn, užgniaužtas, na, žinote...